Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación

ES 2 554 396 B1 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 21 Número de publicación: 2 554 396 Número de solicitud: 201400373 51 Int. CI.: G01N 21/35 (2014.01) 12 PATENTE DE INVENCIÓN B1 54 Título: Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación 73 Titular/es: UNIVERSIDAD DE SEVILLA (100.0%) Paseo de las Delicias s/n - Pabellón de Brasil 41013 Sevilla (Sevilla) ES 72 Inventor/es: GALLEGOS MARISCAL, José Carlos; HEREDIA MIRA , Francico José ; HERNÁNDEZ HIERRO , José Miguel ; MARTÍNEZ ROSAS , Miguel Enrique ; NOGALES BUENO , Julio y RODRÍGUEZ PULIDO , Francisco José 22 Fecha de presentación: 30.04.2014 43 Fecha de publicación de la solicitud: 18.12.2015 Fecha de la concesión: 30.09.2016 45 Fecha de publicación de la concesión: 07.10.2016 56 Se remite a la solicitud internacional: PCT/ES2015/000060 57 Resumen: El dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación tiene por objeto detectar y medir el índice glucoacídico en uva para vinificación. A partir de este índice el dispositivo identificará las etapas de madurez de la uva. Esto se hará de forma automática utilizando medidas de reflectancia en determinadas longitudes de onda del infrarrojo cercano. Tras la calibración del dispositivo, la medida se realiza de manera puntual sobre la superficie del fruto, que es colocado en el interior del sistema. Este sistema es aplicable al control de calidad en la industria alimentaria, en la agricultura y en áreas afines dedicadas a la investigación y desarrollo. Aviso:Se puede realizar consulta prevista por el art. 37.3.8 LP. 5 Dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificaciOn. OBJETO DE LA INVENCION La invencion tiene por objeto detectar e identificar las etapas de madurez de uva tinta 10 de vinificacion, a partir de su indice glucoacidico, de forma automatica utilizando medidas de reflectancia en determinadas longitudes de onda del infrarrojo cercano. Tras la calibraciOn del dispositivo, la medida se realiza de manera puntual sobre la superficie del fruto, que es colocado en el interior del sistema. Este sistema es aplicable al control de calidad en la industria alimentaria, en la 15 agricultura, asi mismo, en areas afines dedicadas a la investigacion y desarrollo. ESTADO DE LA TECNICA 20 El sector vitivinicola depende de factores muy variados a la hora de conseguir una produccion rentable y de calidad. Condiciones climaticas, abonados, regimen de riego, actividades de laboreo, etc., son solo algunos de los factores a considerar para conseguir una cosecha de uva de calidad. A partir de aqui, para conseguir el objetivo de producir un buen vino, es necesario tener en cuenta y controlar muchos mas 25 factores, convirtiendo el proceso general en algo complejo y tedioso. El estado de la uva usada para vinificaciOn ( V i t i s . v i n i f er a L.) es de vital importancia en la calidad del vino. Ademas, una correcta eleccion del momento de la vendimia tambien influye de forma fundamental en la calidad futura de un vino. Los 30 vitivinicultores deben decidir anualmente esta fecha. Uno de los factores mas importantes que se tiene en cuenta para decidir cuando es el momento adecuado para recolectar la uva es la relacion entre la concentracion de azucares y la acidez total, es decir, el indice glucoacidico. El contenido en azucar está estrechamente relacionado con el grado alcoholic° probable que se podra conseguir en el vino y la acidez total 35 ayuda a controlar el color y calidad de este [1]. i n d i ce g l u c o a c i d i c o = C o n ce n t r a c i o n a z u c a r A c i d e z t o t a l Actualmente en las bodegas, el control de la madurez de la uva se consigue mediante la toma de muestras y la posterior realizacion de analisis fisico-quimicos. Para 40 determinar la concentraci6n de azucar es comfin realizar estudios de densidad al mosto de la uva, ya que esta estrechamente relacionada con la cantidad de azucares presentes. Tambien es posible determinar la cantidad de aziicar de un mosto midiendo su indice de refraccion. La determinaci6n de la acidez total suele realizarse mediante volumetria usando NaOH como disolucion valorante [2]. 45 DESCRIPCIÓN  ES 2 554 396 B1 2 Los dos metodos descritos anteriormente son laboriosos y/o destructivos. Seria interesante poder remplazarlos por nuevas tecnicas no destructivas, siempre que sean aproximadamente igual de precisas que los metodos fisico-quimicos. En los filtimos tiempos han surgido tecnicas de analisis de imagen hiperespectral con gran potencial 5 para convertirse en una forma rapida y no destructiva de realizar analisis de alimentos. En un trabajo realizado anteriormente en este laboratorio [3] se determina, con la ayuda de un dispositivo de analisis de imagen hiperespectral en el infrarrojo cercano (NIR, por sus siglas en ingles), la concentracion de azficar y la acidez total en uvas de vinificacion, es decir, el indice glucoacidico. 10 El analisis de imagen hiperespectral es por tanto una buena herramienta para conseguir este proposito, sin embargo, los dispositivos hiperespectrales presentes en el mercado son muy costosos. Una forma de reducir los costes de este tipo de tecnica puede ser determinar que longitudes de onda son mas influyentes, y disefiar un 15 dispositivo de medida espectral basado solo en esas longitudes de onda. Basandonos en un estudio realizado anteriormente en este laboratorio [3] se ha conseguido obtener un numero reducido de longitudes de onda Utiles para calcular el indice glucoacidico. De esta forma, se han seleccionado mediante tratamientos 20 estadisticos las 6 longitudes de onda mas caracteristicas pertenecientes a la region del infrarrojo cercano comprendida entre 950 y 1650 nm, minimizando asi la perdida de informaciOn espectral. El sistema automatic° NIR de determinacion del indice glucoacidico para uva tinta de 25 vinificacion aqui presentado seria una opcion para determinar este indice de forma no destructiva y mas rapida que los metodos usados tradicionalmente. Y ademas, con un sistema bastante mas economic° y accesible que los dispositivos hiperespectrales que se estan proponiendo para estos propositos en los Altimos tiempos. 30 [1] E. Melendez, M.C. Ortiz, L.A. Sarabia, M. ifiiguez, and P. Puras, Anal. Chim Acta., 761 (2013) 53-61. [2] OIV. Recuil de methods internationals d'Analyse des vi. Characteristiques chromatiques. 1990. Paris, OIV. Ref Type: Internet Communication 35 [3] J. Nogales-Bueno, J.M. Hernandez-Hierro, F.J. Rodriguez-Pulido, and F.J. Heredia, Food Chem., 152 (2014) 586-591. DESCRIPCION DE LA INVENCION 40 El dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion se basa en un sensor que es utilizado para detectar la informaciOn de la luz en el NIR que proviene del objeto de interes. Ademas, consta con seis diferentes componentes de iluminacion emitiendo cada uno a 45 diferentes longitudes de onda. Estos componentes de iluminacion, dispuestos en forma de corona circular alrededor del sensor, se dirigen hacia el objeto de interes para iluminarlo en un Angulo de 450 y, por reflexion, hacer llegar la luz hasta el sensor. La serial es posteriormente procesada por un microcontrolador que determina  ES 2 554 396 B1 3 el indice glucoacidico y a partir de el, la etapa de madurez en la que se encuentra la uva. Posteriormente esta informaciOn es transferida al usuario mediante una pantalla LCD. 5 DESCRIPCION DE LAS FIGURAS 10 La Figura 1 es un corte transversal del dispositivo de medici6n discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion. La Figura 2 es una vista cenital del dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion. 15 MODO DE REALIZACION DE LA INVENCION El dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion se basa en un sensor InGaAS 1 cuyo rango de deteccion esta entre 800 rim y 1700 rim El sensor es utilizado para detectar la 20 informaci6n de la luz en el NIR que proviene del objeto de interes. El dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion consta de seis diferentes componentes de iluminaciOn emitiendo a 1050 rim, 1150 rim, 1200 rim, 1300 rim, 1450 rim, 1600 rim 25 respectivamente 2-7. Estos se dirigen hacia el objeto de interes para iluminarlo en un angulo de 450 22 para reducir la componente de reflexion especular que llega al sensor. Por reflexion 23, la luz llega hasta el sensor 1; donde, se extrae la informacion de la serial luminosa y se cuantifica la energia reflejada por el objeto de interes. Una vez que la serial se encuentra en el sensor, este la convierte a una serial analogica. Esta 30 es acondicionada por una etapa de acondicionamiento de serial 9 y posteriormente es procesada por un microcontrolador 8. El microcontrolador 8 contiene los algoritmos y todas las instrucciones necesarias para la operacion del sistema. Las cuales son: controlar los componentes de 35 iluminacion, recibir la serial acondicionada, procesar las seriales recibidas, desplegar datos, procesos de calibraciOn y proceso de identificacion. Dentro del procesado de la serial, el microcontrolador se encarga de traducir los datos espectrales a valores de indice glucoacidico y con esto determina la etapa de madurez en la que se encuentra la uva. Los valores de salida de indice glucoacidico que proporciona el 40 microcontrolador van de 0 a 5, considerandose el valor 3 el umbral a partir del cual el fruto esta maduro. Para esto, el algoritmo incluye varios modelos matematicos desarrollados previamente para tal efecto [3]. I n d i ce g l u c o a c i d i co = C o n ce n t r a c i o n a z u c a r A c i d e z t o t a l  ES 2 554 396 B1 4 El sistema esta dotado de una carcasa 14 para proteccion del mismo y, tambien, de un soporte 15 para colocar los objetos de interes y llevar a cabo el proceso de calibracion o identificacion. En la pantalla LCD 16 se despliegan: los datos de la serial del sensor 1, las 5 indicaciones para calibrar el sistema y la identificacion del indice glucoacidico. Una vez calibrado el sistema, automaticamente se pone en modo: esperando objeto de interes; cuando se coloca un objeto sobre el soporte 15, procede a adquirir la informacion de su espectro discreto y, posteriormente, indica en la pantalla la fase de madurez a la que corresponde o, en su defecto, despliega la leyenda "fuera del rango" 10 si la informacion no con cuerda con la informacion de calibraci6n. Si el sistema no se encuentra calibrado, mediante la pantalla LCD solicitard realizar el procedimiento para calibrar el sistema. Esta pantalla LCD se interconecta con el microcontrolador como se muestra en 17. La comunicaci6n entre el usuario y el dispositivo es posible gracias a tres botones 18-20. 15 El sistema es energizado por medio de una fuente 24 regulada a 5 V conectada a la corriente mediante una conexiOn externa. La fuente regulada convierte la serial de corriente alterna de 110 V o 220 V a una serial de corriente continua regulada de 5 V. 20 El soporte 15 tiene la funcion de permitir colocar el objeto de interes de tal manera que se encuentre en la posicion correcta para recibir la iluminacion proveniente de los componentes de iluminacion 2-7 y posteriormente, permitir su reflexiOn hacia el sensor 1 con la informacion del espectro discreto 23. 25 El proceso de calibracion es un proceso que se selecciona por el usuario de forma manual. Si no se elige esta secuencia, el sistema se inicializa con los valores preprogramados. Este proceso de calibracion se inicia solicitando un blanco de referencia; posteriormente, se ejecuta una secuencia de iluminacion y captura de serial para normalizar los niveles de sensitividad. Una vez concluida esta tarea, despliega 30 una leyenda informando que el proceso de calibrado se ha realizado satisfactoriamente. El proceso de analisis se da cuando el usuario selecciona la opcion de iniciar muestreo. En este momento el dispositivo procede directamente a utilizar los valores 35 pre-programados o los del proceso de calibraciOn. Despues de elegir esta secuencia, el sistema estard listo para iniciar analisis del fruto a partir de su reflectancia para detectar el indice glucoacidico e identificacian de la etapa de madurez.  ES 2 554 396 B1 5 1.- Dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion caracterizado porque dispone de un sensor NIR 5 InGaAS aloj ado dentro de una carcasa, situado en una posicion central y verticalmente sobre el soporte para muestra (15) para recibir la serial reflejada del objeto de interes. 2.- Dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion caracterizado segan reivindicaciOn anterior 10 porque dispone de seis componentes de iluminacion que basan su operaciOn en la tecnologia LED, situados en una corona circular de forma que la linea que une cada uno de ellos con el soporte para muestra (15) forme 45° con la vertical, reduciandose asi la componente especular de la reflectancia recibida por el sensor. 15 3.- Dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion segan reivindicaciones anteriores caracterizado porque cada uno de dichos seis componentes de iluminacion emite a distinta longitud de onda en el intervalo comprendido entre 1000 y 1650 nm para la correcta medida del indice glucoacidico. 20 4.- Dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificaciOn segan reivindicaciones anteriores caracterizado porque las distintas intensidades de radiacion infrarroja detectadas por el sensor Im GaAs se transforman a niveles del indice glucoacidico en la muestra. 25 5.- Dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificaciOn segan reivindicaciones anteriores caracterizado porque se incluye un microcontrolador, encargado de controlar el sensor In GaAs, recibir la serial del sensor, procesar las seriales del sensor, desplegar datos, procesos 30 de calibracion y proceso de identificaci6n. 6.- Dispositivo de medicion discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificaciOn segan reivindicaciones anteriores caracterizado porque los distintos componentes de iluminaciOn dentro de la carcasa estan 35 distribuidos en forma de corona circular alrededor del sensor In GaAs y orientados hacia el soporte para la muestra con una inclinacion de 45°. 7.- Dispositivo de mediciOn discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion segan reivindicaciones anteriores caracterizado 40 porque comprende una pantalla LCD, botones de interfaz de usuario, soporte, conexion externa, fuente regulada y sus posibles variantes en ubicacion y modificacion de tecnologia para hacer mas ergonomico y funcional el sistema. 8.- Dispositivo de medici6n discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice 45 glucoacidico en uva para vinificaciOn caracterizado segan reivindicaciones anteriores por que las intensidades de radiacion infrarroja se transforman a niveles de indice glucoacidico en un rango comprendido entre 0 y 5 unidades, de manera que se considera el fruto apto para su recogida a partir del nivel 3. REIVINDICACIONES  ES 2 554 396 B1 6 9.- Dispositivo de medici6n discreta por reflectancia de NIR multibanda del indice glucoacidico en uva para vinificacion caracterizado segUn reivindicaciones anteriores porque esta dotado con una secuencia pre-programada para su funcionamiento, sin 5 necesidad de calibracion.  ES 2 554 396 B1 7  ES 2 554 396 B1 8  ES 2 554 396 B1 9